基于双模并行电法的真三维观测系统布置及真三维数据体合成方法

1.本发明涉及地球物理勘探测量方法领域中的一种数据推演合成方法，特别是直流电法数据采集及处理领域中的基于双模并行电法的真三维观测系统布置及真三维数据体合成方法。


背景技术：

2.为保证生产建设活动的安全，地质勘查的准确度要求逐渐提高，物探方法作为一种重要的勘察手段，相比于传统的钻探方法，其在探测时间和无损性具有明显优势，对于如何提高探测解释精度，是物探处理解释工作的终极目标，而解释精度与选择的方法及观测系统等有直接的关系，直流电法勘探技术是物探探查方法中较为成熟的一种勘探手段，其原理是：以两个供电电极a、b对大地供入一稳定的电场，利用测量电极m、n测量一定范围内电位，以此获取该空间体积的大地电阻率特征，从而对该区域进行地质评价。电阻率法勘探在空间上可分为一维(电测深法)、二维(二极法、三极法、四极法)如图2、三维勘探方法，不同维度的观测系统布置方式可获得空间上任意两电极的电位差信息，从而提高探测数据的反演精度。由于电法勘探的体积效应，一维和二维勘探方法对探测区域内地质体的定位准确度差。因三维电法勘探电极布置可以获取空间位置上任意两个电极之间的电位差信息，故其探测结果对探测范围内的异常体定位更加准确，但其对仪器的道数及数据采集速度提出来越来越高的要求。就目前的行业现状来看，进行三维电法勘探主要存在以下几个问题：(1)限于各种原因，目前绝大部分的施工单位所拥有的电法仪为传统高密度电法仪，其数据采集效率较低，可高效采集三维观测系统的并行高密度电法仪未能得到普及；(2)由于普通高密度电法仪采集三维数据需要较多的时间，现场施工难以按期完成工作任务，绝大部分生产单位在现场都是采集二维测线的电法勘探数据；(3)目前有部分技术人员通过将多条二维测线给定三维坐标(图3)，在将数据进行反演，这样得到的反演结果与真三维观测系统(图4)所提取的数据进行反演的结果在探测精度上有很大差异，原因是每条独立测线间提取的数据没有关联性，所提取的数据仅为每条独立测线间电极供电电流和电位差，无法得到相邻两测线之间任意两个电极的电位差，以致数据反演时缺乏两测线间电场的约束条件；(4)即便有高效采集的并行高密度电法仪，施工单位存在仪器道数限制、现场工作环境和地质条件无法进行三维电法观测系统布置，即出现与(3)相同的情况，无法进行大范围的三维电阻率勘探。
3.如何利用现有的仪器设备进行三维电法勘探，提高两两测线间数据的关联度，提高结果解译精度，是需要解释的问题。目前的文献和报道中常见采用二维观测系统数据给定三维坐标进行的伪三维电法数据反演处理或多道小范围、相互独立的真三维观测系统数据反演。这两种处理方式显然不能解决测线间的反演分辨率。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种基于双模并行电法的真三维观测系统布置及真三维数据体合成方法，可通过相对少的电极道数，分多次完成探测区域内的三维电法勘探，同时可提取相互独立的两测线间任意两个电极的电位差信息带入反演计算，提高测线间的反演分辨率，使得反演结果对异常体的定位更加精确。
5.本发明的解决方案：一种基于双模并行电法的真三维观测系统布置及真三维数据体合成方法，包括以下步骤：
6.(1)在探测区域内布置多条二维或三维观测系统并行电法测线，这些测线之间相互有部分电极重合，如图1和图5。
7.所述二维或三维双模并行电法观测系统包括：公共供电电极b、公共参比电极g和多组隔离电极组，共有p个测点，每个测点布置一组隔离电极组，所述公共供电电极b放置在无穷远处，无穷远处定义为测线长度的3～5倍以外，公共参比电极g放置在任意处；每组隔离电极组包括供电电极和测量电极，每组隔离电极间的电极间距为a，如图7所示；
8.所述测线间部分重合的电极可为两条或多条测线上的任意一个或多个电极，如图1和图5所示；
9.所述测区内的多条测线，为以下内容表述方便，分别按测线1、测线2
……
进行编号；
10.(2)对测线1进行数据采集，获取am数据集，各测点供电时的电流和其他测点采集电位数据记为矩阵从第一行至最后行分别表示测线1的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线1的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；
11.(3)布置测区内的测线2，所述第测线2与测线1有x个重合电极，分别为c1、c2……cx
，所述x个重合电极是测线1内p个电极的任意x个，所述重合电极个数越多，所合成的三维数据体越完整；所述测线2与测线1共用同一个公共参比电极g；
12.(4)对测线2进行数据采集，获取am数据集，各测点供电时的电流和其他测点采集电位数据记为矩阵从第一行至最后行分别表示测线2的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线2的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线2的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；
13.(5)对测线1和测线2的数据分别进行归一化处理，即将所有电极供电时的电流取
1，则归一化后，测线1和测线2采集的数据分别为和d1’
矩阵从第一行至最后行分别表示电流归一化后测线1的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线1的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；d2’
矩阵从第一行至最后行分别表示电流归一化后测线2的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线2的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线2的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；
14.(6)对于测线1和测线2上的重合电极c
x
而言，当c
x
供电时，其与无穷远电极b之间的回路不变，故其在测线1和测线2上分别供电时的供电电流不变，两测线的数据电流归一化后，可将重合电极c
x
供电时两条测线的电压数据直接合并，合并后的数据记为：
15.d1’2’
矩阵从第一行至最后行分别表示电流归一化后测线1的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的c1#测点供电时的电流和c1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线2的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；
16.(7)若测区内测线在2条以上，则观测系统布置参照步骤(3)进行，布置原则为保证下一条测线与上一条测线之间有部分电极重合，并将采集到的数据按照步骤(6)进行合并；
17.(8)对于单条测线的数据体，可分别提取单一测线上任一电极供电时的电流i和任意两个电极间的电位差δu
mn
，如图8、图9所示，若提取不同测线间的电极电位差时，则提取重合电极供电时的电流i
cx
和分别位于不同测线间的任意两个测量电极mn之间的电位差δ
u'
mn
，如图10所示；
18.(9)对步骤(8)中提取的δu
mn
、δu'
mn
和对应的供电电流i数据进行相关电阻率计算或反演计算等，获得测区内的电阻率空间分布特征。
19.本发明的有益效果如下：
20.(1)通过空间上前后测线的重合电极，将原本相互独立采集的两条测线提供了相互供电采集的桥梁。通过这种方法，一个需要较多电极道数的真三维电法观测系统的数据采集就可以通过多条有重合电极的二维电法观测系统数据拼接完成；即通过现有电极道数少的仪器装备完成野外三维电法勘探。
21.(2)提供了一种将二维观测系统电法数据合成三维观测系统电法数据体的方法，合成后相比于原二维观测系统的数据量增大，且增加了两两测线间的任意两电极的电位差，提高了反演结果的测线间分辨率，使得反演结果更加可靠。
附图说明
22.图1是本发明的一种首尾相接的重合电极观测系统布置方式；
23.图2是单一一条二维电法测线现场布置示意图；
24.图3是多条二维电法测线组成的伪三维电法观测系统现场布置示意图；
25.图4是“s”型真三维电法观测系统现场布置示意图；
26.图5是本发明的一种任意几个电极重合的电法观测系统的布置方式；
27.图6是实施例内两条各7个电极的首尾重合电极的观测系统；
28.图7双模并行电法系统布置示意图；
29.图8是单条二维测线可提取的任意两个电极间的电位差示意图；
30.图9是独立两条测线可提取的任意两个电极间的电位差示意图；
31.图10是用本发明后的两条测线可提取的任意两个电极间的电位差示意图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.图1为本发明的两两测线间有重合电极的直流电法三维观测系统布置方式，图2直流电法二维观测系统电极布置方式，其结果只能为该条测线下的电阻率剖面。图3为多条二维直流电法观测系统，在进行数据反演时，每条测线赋予同一坐标系下的三维坐标，但不能提取两两测线间的电位差δu
mn
，故其反演结果缺少两两测线间的分辨率。图4真三维观测系统电极布置方式，由图4的电极布置方式，可以提取任意两个电极间的电位差δu
mn
进行相关计算，其结果的空间分辨率更高。
34.本发明一种基于双模并行电法的真三维观测系统布置及真三维数据体合成方法，包括以下步骤。
35.(1)如图6、图7所示，布置双模网络并行电法系统，共两条二维电法测线，电极间距1m，每条测线7个电极(以7个电极为例进行说明，电极多少只是数据量大，对现场施工和数据提取无影响)，其中测线1电极编号11#、12#
……
15#、c1#、c2#，测线2电极编号c1#、c2#、
21#、22#
……
25#，两条测线共用同一参比电极g，公共电极b放置在无穷远处。
36.(2)对测线1进行数据采集，获取测线的am数据集，测量数据见表1。
37.表1
[0038][0039][0040]
(3)对测线2进行数据采集，获取测线的am数据集，测量数据见表2。
[0041]
表2
[0042]
电流电压c1电压c2电压21电压22电压23电压24电压2552.4214401921.8541055.43610.3267394.6743229.0456149.091585.327733165.01603670.8341899.3951169.765654.6321416.677991.30421839.3383895.94403706.1982092.9331111.706685.260182.9734934.70171803.953336.5603602.491717.8021000.37635.90253230.9284446.4395776.15741496.30601372.086714.047655.31402145.2013328.1487585.33131065.7522092.81402252.342117.126642.3941289.0139618.8081183.2022210.4954712.7520
[0043]
(4)分别将表1和表2中的电流数据作归一化，分别得到表3和表4。
[0044]
表3
[0045]
电流电压11电压12电压13电压14电压15电压c1电压c21039.2133923.637828.0622434.7161192.1714792.33274139.4097507.46606114.895728.4976883.9472084.196978116.6270234.76672041.1783919.082758.2103038.46395918.7013515.446897.73048042.1935616.2614715.6872815.3036638.96082425.5807742.20071033.5386327.9868812.7266094.35696310.343816.3306333.47316041.4733512.8841694.60487110.1903115.7757428.0008441.431010
[0046]
表4
[0047]
电流电压c1电压c2电压21电压22电压23电压24电压251036.661620.1335611.642697.528874.3693122.844094137.09246043.0204122.2613.709087.6719744.883265120.1451642.66993040.5917522.9226412.175857.505242111.2650821.7413140.21241043.4174120.7030412.0565816.43209112.4347621.6184641.67688038.2169719.888512.6250365.9324710.5819719.2673137.83514040.71919
10.3619512.4675345.28324110.1019118.872740.23640
[0048]
将表3和表4的数据进行合并，得到表5。
[0049]
表5
[0050][0051][0052]
通过重合电极c1和c2，将两次分开采集的二维电法数据合成为了真三维数据体。如图8所示，原一条测线的二维观测系统只能提起本测线上任意两个电极间的电位差，利用多条二维测线给定三维坐标的方式，也只能提取各测线自身内任意两个电极之间的电位差，数据没有测线间的分辨率，如图9。但经过本发明所提供的方式，如图10，不仅仅可以提取各测线自身内任意两个电极之间的电位差，还可以提取两测线间任意个电极之间的电位差，如表5中第6和第7行可提取两测线间任意两电极之间的电位差，进而进行相关的反演计算，提高了两测线间的分辨率。
[0053]
本发明对电极总数的多少和重合电极的多少无关，且重合电极不固定为测线的首尾电极，可为测线上的任意个数的电极。
[0054]
总之，本发明通过多条测线之间的重合电极作为桥梁，将相互独立的测线建立联系，提供了一种利用相对少的电极达到采集三维电法勘探数据的电极观测系统布置方式；提供了一种将二维观测系统电法数据合成三维观测系统电法数据体的方法，增加了两两测线间的任意两电极的电位差，提高了反演结果的测线间分辨率，使得反演结果更加可靠。本发明对于野外三维电法数据采集效率的提高具有重要作用，对提高三维电法数据处理结果的分辨率具有重要帮助，具有较好的应用前景。
[0055]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于双模并行电法的真三维观测系统布置及真三维数据体合成方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在探测区域内布置多条二维或三维观测系统并行电法测线，这些测线之间相互有部分电极重合，即多条测线间布置重合电极；所述二维或三维双模并行电法观测系统包括：公共供电电极b、公共参比电极g和多组隔离电极组，共有p个测点，每个测点布置一组隔离电极组，所述公共供电电极b放置在无穷远处，无穷远处定义为测线长度的3～5倍以外，公共参比电极g放置在任意处；每组隔离电极组包括供电电极和测量电极，每组隔离电极间的电极间距为a；所述测线间部分重合的电极为两条或多条测线上的任意一个或多个电极；所述测区内的多条测线，分别按测线1、测线2
……
进行编号；(2)对测线1进行数据采集，获取am单点电源场供电数据集，各测点供电时的电流和其他测点采集电位数据记为矩阵从第一行至最后行分别表示测线1的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线1的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；(3)布置测区内的测线2，所述测线2和测线1有x个重合电极，分别为c1、c2……
c
x
，所述x个重合电极是测线1内p个电极的任意x个，所述重合电极个数越多，所合成的三维数据体越完整；所述测线2与测线1共用同一个公共参比电极g；(4)对测线2进行数据采集，获取am单点电源场供电数据集，各测点供电时的电流和其他测点采集电位数据记为矩阵从第一行至最后行分别表示测线2的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线2的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线2的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；(5)对测线1和测线2的数据分别进行归一化处理，即将所有电极供电时的电流取1，则归一化后，测线1和测线2采集的数据分别为和
d1’
矩阵从第一行至最后行分别表示电流归一化后测线1的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以至测线1的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；测线2的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线2的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线2的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；(6)对于测线1和测线2上的重合电极c
x
而言，当c
x
供电时，其与无穷远电极b之间的回路不变，故其在测线1和测线2上分别供电时的供电电流不变，两测线的数据电流归一化后，将重合电极c
x
供电时两条测线的电压数据直接合并，合并后的数据记为d1’2’
矩阵从第一行至最后行分别表示电流归一化后测线1的1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，测线1的c1#测点供电时的电流和c1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示测线2的p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；(7)若测区内测线在2条以上，则观测系统布置参照步骤(3)进行，布置原则为保证下一条测线与上一条测线之间有部分电极重合，并将采集到的数据按照步骤(6)进行合并；(8)对于单条测线的数据体，分别提取单一测线上任一电极供电时的电流i和任意两个测量电极mn间的电位差δu
mn
，若提取不同测线间的电极电位差时，则提取重合电极供电时的电流i
cx
和分别位于不同测线间的任意两个测量电极mn之间的电位差δu'
mn
；(9)对步骤(8)中提取的δu
mn
、δu'
mn
和相应的供电电流i进行相关反演计算，获得测区内的电阻率空间分布特征。

技术总结
本发明公开了一种基于双模并行电法的真三维观测系统布置及真三维数据体合成方法，包括以下步骤：布置多条二维或三维双模网络并行电法系统，其中任意两条测线间有x个重合电极，分别将两条测线各电极分别供电时的供电电流和电位数据进行归一化处理，将两条测线间的数据进行组合，其中重合电极供电时，由于电流进行了归一化处理，且重合电极在两测线分别供电时无穷远位置不变，供电电流大小一致，故可直接将两测线数据按电极实际顺序直接合并。这样就将两条独立测线供电接收数据通过重合电极而联系在了一起，形成了两条测线间电极发射接收的数据体，再在此数据体基础上进行相关的数据提取和反演，可提高反演结果不同测线间的纵向分辨率，提高反演精度。提高反演精度。提高反演精度。


技术研发人员：陈兴海 岳明鑫 吴小平 杨晓冬
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2021.12.21
技术公布日：2022/3/8